Кориолисовый счетчик

Важным элементом производственных процессов пищевой промышленности является точный учет веса сырья и готовой продукции. Делается это разными способами, с помощью различных устройств. При измерении твердых или сыпучих веществ проблем не возникает. Но для жидкостей и газов вопрос обстоит сложнее. Многие приборы меряют объемный расход, после чего выполняется пересчет на массу, с учетом вводимых значений плотности, которая зависит от температуры. Подобный способ не может быть точным в принципе. Единственным стабильным параметром жидкостей и газов является масса. Ее прямое измерение упрощает организацию коммерческого учета, делает его максимально точным и избавляет от ошибок, связанных с человеческим фактором. Ниже описан один из таких приборов. Это массовый расходомер, работающий по принципу измерения силы Кориолиса, которая действует в любой вращающейся системе на точку, движущуюся вдоль радиуса.

Кориолисовый счетчик расходомер предназначен для измерения массового расхода, температуры и плотности проходящего через него потока жидкости, в том числе эмульсии или суспензии, а также газа. По полученным данным (вес и плотность) можно вычислить объемный расход. Степень электропроводимости, температура, плотность, вязкость или давление измеряемой среды могут варьироваться в широких пределах.

Расходомер Кориолиса вибрационный применяется в системах коммерческого учета или автоматического контроля и управления технологическими процессами. Чаще всего его используют в газо-, нефтедобывающей, пищевой и химической отраслях. С помощью этого счетчика выполняют:

• Учет жидких и газообразных энергоносителей.

• Измерение малых расходов.

• Определение массового и объемного расхода материалов при отгрузке.

• Получение данных о плотности и температуре транспортируемых веществ.

• Точное дозирование рабочей среды в наливных и сливных устройствах.

• Контроль расхода пищевого сырья и готовой продукции.

• Одновременное измерение нескольких параметров в лабораториях.

• Учет расхода рабочей среды в гидравлических транспортирующих установках и прочее.

Сила Кориолиса

Чтобы понять, как работает счетчик, надо разобраться, что собой представляет сила Кориолиса.

Если тело движется во вращающейся системе отсчета, то на него действуют не одна, а две силы инерции – центробежная и кориолисова. Наличие второй можно показать на следующем примере . На горизонтальном диске, от центра в т. О, вдоль радиуса, к т. А движется шарик с постоянной скоростью ν (деформацией шарика и трением качения пренебрегаем). Если диск неподвижный, шарик перемещается прямолинейно по линии ОА. Если же диск вращается с угловой скоростью ω, то шарик будет катиться с отклонением, по изогнутой линии ОВ.

Законы механики утверждают, что для того, чтобы движущееся тело отклонилось от первоначальной траектории, на него должна подействовать какая-то сила. В данном случае, шарик ведет себя так, будто на него действует некая сила Fk, перпендикулярная радиусу и направленная против вращения диска. Это и есть сила Кориолиса. Она названа в честь французского инженера и физика Gaspard Gustave de Coriolis (1792 – 1843), который впервые описал ее.

Многие называют кориолисову силу фиктивной. Определенные основания для этого есть. Фактически, речь не идет о том, что какая-то сила «толкает» шарик влево, просто диск «выскальзывает» из-под него. Более наглядно данное утверждение объясняет второй пример. Допустим, на Северном полюсе Земли стоит суперпушка, снаряд которой может долететь до экватора. Так же, как и в примере с диском, пушка стреляет из точки О в точку А . Но снаряд попадает в точку В – потому что, пока он летел от т. О до т. А, Земля успела повернуться под ним на некоторый угол.

Поведение снаряда, как и шарика, полностью зависит от системы отсчета. Человек, наблюдающий за снарядом из космоса, то есть, находящийся в неподвижной системе координат, уверен в том, что снаряд все время перемещается по прямой, никакая сила на него не действует, просто Земля поворачивается, пока он летит. И это действительно так. Другой наблюдатель, стоящий на Земле, рядом с целью, то есть, находящийся в той же самой вращающейся системе координат, что и пушка со снарядом, видит совсем иное – что снаряд отклоняется от первоначального направления, словно под действием какой-то невидимой силы. И это тоже правильно. Все зависит от того, «откуда смотреть».

Дополнительным объяснением может служить цитата из книги С. И. Кузнецова Физические основы механики. Учебное пособие: «Сила Кориолиса не является «настоящей» в смысле механики Ньютона. При рассмотрении движений относительно инерциальной системы отсчета такая сила вообще не существует. Она вводится искусственно при рассмотрении движений в системах отсчета, вращающихся относительно инерциальных, чтобы придать уравнениям движения в таких системах формально такой же вид, что и в инерциальных системах отсчета».

Чтобы в данных условиях шарик на вращающемся диске все-таки катился по прямой ОА, надо сделать опорную стенку вдоль радиуса. Она будет «давить» на шарик с силой (–Fk), равной по значению силе Кориолиса, но в обратном направлении. И это уже будет вполне реальное воздействие, числовое значение которого можно определить.

В качестве примеров проявления силы Кориолиса, обычно вспоминают маятник Фуко, завихрения циклонов и крутые правые берега рек в Северном полушарии (их больше подмывает вода), а левые – в Южном. Можно сказать и о таком общеизвестном факте, как резкое увеличение угловой скорости фигуриста, который сначала вращался с расставленными в стороны руками, а потом быстро прижал руки к телу. Либо вспомнить о том, как извивается поливочный шланг, когда через него под напором проходит вода.

Принцип действия кориолисова расходомера

Первые измерительные приборы, использующие силу Кориолиса, были созданы в 70-х гг. прошлого столетия. В них жидкость двигалась по прямой трубе, которая вращалась относительно своей продольной оси. В результате на трубу начинала действовать отклоняющая сила. Величина ее зависела от массового расхода. Если измерить эту отклоняющую силу Кориолиса Fk, то из выражения:

М = Fk / 2ωх

где ω – угловая скорость вращения трубы, х – длина расчетного участка трубы, можно вывести массовый расход М.

Недостатком данных приборов было то, что в промышленных условиях вращать трубу неудобно или невозможно. Более совершенная конструкция появилась, когда оказалось, что аналогичный эффект достигается, если труба просто колеблется (вибрирует).

Труба может быть прямой или изогнутой, одиночной либо двойной. Для примера взят прибор с двойной изогнутой трубкой, в которой на входе общий поток делится на две составляющих . Принцип действия данного устройства следующий.

Измерение массы

В конструкции счетчика есть электромагнитный привод, расположенный в центре изгиба. Он состоит из соленоидной катушки и постоянного магнита. После его включения, трубки начинают вибрировать. В момент включения ток, обязательно переменный, подается на катушку привода, из-за чего магнит, то отталкивается от нее, то снова притягивается. Вместе с ним, притягиваются друг к другу и отталкиваются трубки. Это происходит потому, что на катушку, которая представляет собой проводник под напряжением, в поле, образованном магнитом, действует сила Ампера. Численно она равна произведению магнитной индукции на силу тока и на длину проводника.

Положение трубок можно определить с помощью электромагнитного датчика. Его устройство такое же, как и привода, катушка и постоянный магнит. Но работает он «наоборот», по сравнению с приводом. На привод подают переменное напряжение, после чего его катушка и магнит начинают двигаться. Здесь же катушка и магнит двигаются один относительно другого из-за вибрации трубок. В результате, в обмотке катушки, которая находится в поле постоянного магнита, возникает ток. Датчик посылает данный ток в виде сигналов в электронный блок. После обработки данных, колебания трубок представляются графиком синусоидального напряжения .

В основу действия такого датчика положено явление электромагнитной индукции. Оно заключается в том, что, если намагниченный сердечник движется внутри неподвижной катушки, то в ее обмотке возникает индукционный ток. То же самое происходит, если катушка сама движется в поле, созданном постоянным магнитом. Согласно правилу Ленца, индукционный ток направлен так, чтобы его магнитное поле старалось уравновесить изменение магнитного потока.

В расходомере есть два подобных датчика. Один стоит на входе в контрольный участок, другой - на выходе. При этом, катушки обоих датчиков жестко соединены с одной трубкой, а магниты – с другой.

Если движения жидкости нет, то в показаниях датчиков разница не наблюдается даже в том случае, когда трубки вибрируют. То же самое, если по трубкам потечет жидкость, но привод останется выключенным.

Если же через вибрирующие трубки пустить поток жидкости, то, в дополнение к обычно действующим силам, возникнет сила Кориолиса , которая сопротивляется колебаниям трубок. Она будет создавать в каналах вторичную изгибающую вибрацию. Трубки начнут скручиваться в противоположных направлениях . Следствием этого прибавочного отклонения станет разница фаз движений трубок одна относительно другой на концах участка . Это происходит потому, что сигнал с входного датчика запаздывает, по отношению к сигналу с выходного. Смещение по фазе ΔТ, то есть, относительное запаздывание, прямо пропорционально массовому расходу жидкости.

Измерение плотности

Собственная частота вибрации (колебаний) трубок зависит от материала, из которого они сделаны, их формы и размеров, а также общей массы конструкции. Последний параметр включает две составляющих: вес жидкости, проходящей через контрольный участок, и вес самих трубок. Все перечисленные выше значения для любого отдельно взятого расходомера являются постоянными, за исключением веса измеряемой среды. Он равен плотности, умноженной на объем. Поскольку длина и диаметр контрольного участка также не изменяются, то частота колебаний изогнутых трубок зависит только от одной величины – плотности жидкости. Таким образом, если измерить частоту, то из ее значения можно вывести плотность.

Принцип измерения плотности жидкости можно наглядно проиллюстрировать на примере колебания двух гирек, вертикально подвешенных на пружинах. При прочих равных условиях, более тяжелый груз всегда будет колебаться с меньшей частотой, чем более легкий. В кориолисовых расходомерах трубки соответствуют пружинам, а гирьки – измеряемой среде.

Зависимость резонансной частоты от плотности жидкости калибруется на заводе, в процессе изготовления прибора. Данные по калибровке хранятся в энергонезависимой памяти устройства. На их основе период колебаний, измеренный в ходе работы, переводится в плотность измеряемой среды.

Устройство кориолисового расходомера

Кориолисовый счетчик состоит из следующих основных узлов :

• Сенсор в виде изогнутых трубок с датчиками и приводом, для прямого измерения массового расхода, плотности и температуры.

• Преобразователь. Служит для конвертации полученной с датчиков информации в стандартные сигналы.

В современных приборах преобразователь способен измерять массовый и объемный расход, плотность и температуру, архивировать параметры, определять фазовое состояние рабочей среды. Некоторые модели учитывают содержание чистого продукта и концентрацию вещества, выполняют расширенный анализ плотности, с оценкой содержания твердых частиц, допускают высокое содержание газа в жидкостях.

Трубки сделаны из нержавеющей или супердуплексной стали, либо никелевого сплава. При монтаже температурного сенсора, обеспечивается его надежный контакт с трубкой. Поэтому выходной сигнал соответствует температуре жидкости.

Кориолисовый расходомер не имеет изнашивающихся внутренних элементов. При работе с жидкостями без примесей, его характеристики обязаны оставаться неизменными в течение всего заявленного срока использования. Если же по трубкам перекачиваются рабочие среды с абразивными включениями, либо это кислоты и щелочи, то может наблюдаться коррозия внутренней поверхности каналов. В этом случае, рабочие характеристики (калибровка) прибора изменятся. Для контроля целостности трубок, разработана специальная диагностика, которая выполняется по беспроливной методике. В ее основу положена связь между механической жесткостью трубок и калибровочным коэффициентом расхода. Способ может использоваться регулярно, без остановки технологического процесса.

Преимущества счетчика Кориолиса

• Характеристики жидкости или газа измеряются с большой точностью.

• Прибор функционирует «в обе стороны», как на прямом, так и на реверсивном направлении потока.

• Перед расходомером и сразу после него не обязательно ставить прямолинейные секции трубопровода.

• Счетчик надежно работает на вибрирующем трубопроводе, при скачкообразном изменении давления или температуры рабочей среды.

• Эксплуатационные расходы минимальны. Техническое обслуживание и периодическая перекалибровка не требуются.

• Так как в конструкции нет подвижных частей, которые изнашивались бы в процессе работы, прибор отличается надежностью, долговечностью и длительным сроком службы.

• Расходомер оборудован встроенным самопереключающимся блоком питания, поэтому может подключаться к различным источникам.

• Счетчик Кориолиса меряет расход высоковязких сред, эмульсий и суспензий.

• Прибор разрешен к применению в фармацевтической и пищевой промышленности.

Единственным существенным недостатком кориолисового расходомера является его относительно высокая стоимость. Которая, впрочем, быстро окупается, за счет универсальности прибора, его точной и надежной работы, а также малых затрат в процессе эксплуатации.

Рекомендации по применению

Массовый кориолисовый расходомер способен работать с любыми жидкостями, а также газами, если последние достаточно плотные. Его можно использовать на тех участках, где предъявляются жесткие требования относительно санитарно-гигиенических условий. Исходя из того, что цена такого счетчика сравнительно высокая, применение подобных устройств целесообразно в узлах коммерческого учета, а также в других местах, где требуется большая точность измерений. Или там, где необходимо получить данные о нескольких параметрах одновременно – в дополнение к расходу, еще температуру и плотность. В более простых системах такие приборы менее выгодны. Там, где не слишком нужна высокая точность, с работой успешно справляются недорогие объемные расходомеры.

Когда жидкость сливают из цистерны или другого резервуара, поток может оказаться состоящим из двух фаз, жидкой и газообразной. В этом случае расходомер будет работать с недопустимой погрешностью. Если в его конструкции имеется контроллер, реагирующий на появление двухфазного потока, то работа прибора прекратится. Контрольный узел обнаруживает подобные среды по падению плотности жидкости (у сигнала детектора на выходе уменьшается амплитуда) или по излишне большому количеству энергии, необходимой для работы привода.

Для нормальной работы кориолисового счетчика допускается, что в измеряемой жидкости присутствует некоторое количество попутного воздуха. Сколько именно – зависит от вязкости. Рабочая среда с вязкостью до 300,000 мПа/с (высоковязкая) может иметь его до 20%. При этом газ должен присутствовать в виде гомогенно диспергированных маленьких пузырьков. В низковязких средах, таких как молоко, воздух выделяется при концентрации до 1%.

Модели расходомеров с прямой трубкой более предпочтительны для растворов и прочих многофазных жидкостей. В двухтрубных конструкциях поток делится на два рукава, не обязательно равных по массе, но плотность их должна быть одинакова. Обычный разделитель на входе может распределить двухфазный поток по данному параметру неравномерно. Например, в один рукав пойдет жидкость в большим количеством газа, а в другой – с меньшим. Из-за этого измерения получатся неточными.

Конструкция с одной прямой трубкой лучше и в том случае, если в жидкости присутствуют включения, способные засорить устройство или образовать на стенках канала осадочные отложения. Прямая трубка меньше загрязняется и легче чистится – если ее диаметр достаточный, чтобы свободно проходили наибольшие частицы. В прямой трубке засорения и осадок удаляют механическими средствами. Для изогнутых надо использовать специальный раствор, при этом скорость моющей струи должна быть выше 3 м/с.

При работе в аналогичных условиях, датчики изогнутых длинных трубок посылают более мощный сигнал, чем прямых коротких, потому что они лучше изгибаются. Но прямые больше подходят в местах с повышенными санитарно-гигиеническими условиями, поскольку они отвечают требованию самозаполнения. Также их применяют в случаях, когда надо измерить массовый расход жидкости, способной при определенной температуре перейти в твердое состояние.

В пользу прямотрубных счетчиков говорит и тот факт, что они способны выдержать более сильную вибрацию рабочего органа. Кроме того, они проще монтируются, компактны, им нужен меньший перепад давлений.

Счетчик Кориолиса специальной конструкции может долго работать с жидкостью температурой до 230 град С.

Кориолисовый счетчик – это точный, надежный, неприхотливый и долговечный прибор, способный выдать показания одновременно по нескольким параметрам. Его использование повышает эффективность производства и снижает общее количество сбоев на технологических линиях.